司文奎，李小菊，張凱旋

交互型雙回路駐車制動系統(tǒng)設計

司文奎1，李小菊2，張凱旋3

（1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118；2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶401123；3.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082）

以比亞迪電動客車為例，針對客車普遍存在的起步溜坡、駐車制動自動化程度偏低及節(jié)能效果較差等現(xiàn)象，引入扭矩駐車和可變氣壓控制的概念，詳細介紹雙回路制動系統(tǒng)信息交互設計從而實現(xiàn)最大程度的安全和節(jié)能效果。

電動客車；扭矩解鎖；雙回路；駐車制動；可變氣壓

1　引言

客車制動系統(tǒng)一般由“行車制動回路”和“駐車制動回路”構(gòu)成［1］。前者主要用于車輛行駛減速，后者主要用于駐車及短暫制動。該系統(tǒng)控制策略普遍采用“氣動-手動-電控”方案，因其清潔安全、動力大，且技術(shù)成熟、成本較低，故在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應用。但不同廠家對該系統(tǒng)的理解程度不同，所做的邏輯方案也不盡相同，相當一部分車輛均存在不同程度的起步溜坡及自動化程度偏低的現(xiàn)象。

比亞迪K9系列電動客車針對此類不足做了改進。圖1為K9大客車所配備的制動系統(tǒng)（雙通單向閥之后的氣路通向繼動閥及制動機械結(jié)構(gòu)），其中，“腳剎制動氣路”受腳剎深度控制，為基本配置；“駐車制動氣路”受整車控制器控制，提供額外的可控制動功能。

圖1中，雙通單向閥接收兩路氣壓輸入，且將較大者輸送至下一級（繼動閥）；比例電磁閥接受整車控制器的連續(xù)、模擬電壓，產(chǎn)生連續(xù)、可控的氣壓值［2］。

車輛減速停止的制動力受腳剎制動氣路控制［3］。車輛停穩(wěn)之后，整車控制器控制比例電磁閥開始工作，比例電磁閥產(chǎn)生一定氣壓值，并通過駐車制動氣路提供額外的制動力信號，從而使駕駛員在“短暫制動”的情形下無需持續(xù)踩腳剎或頻繁切換手剎。

本文詳細介紹此雙回路制動系統(tǒng)，并針對此系統(tǒng)在駐車制動方面的若干難點，提出反饋自校正方案，提高客車制動系統(tǒng)的自動化水平，增強其安全性和節(jié)能性。

2　雙回路制動系統(tǒng)介紹

2.1扭矩互鎖和扭矩解鎖

K9電動大客車車速報文信號和扭矩報文信號均來自電機控制器，精度較高。車輛即將停下時的車速曲線和車輛即將停止輸出扭矩時的扭矩曲線如圖2所示。

由圖2可見，K9車速信號和扭矩信號較為理想，不存在靜態(tài)波動，可作為“車輛停穩(wěn)”的判定條件。故設定整車控制器控制比例電磁閥駐車制動生效的條件：“車速為零且扭矩為零，持續(xù)500 ms”，實現(xiàn)“車輛停止-駐車”的無縫銜接。駐車制動解除的時刻由電機控制器判定，電機控制器處理加速踏板信號，綜合考慮車輛所在坡度等信息，在其扭矩輸出曲線的某一時刻向整車控制器發(fā)送“駐車制動解除”指令。整車控制器收到此信號后，在50 ms之內(nèi)取消比例電磁閥的輸入電壓，從而完全取消整車制動力，實現(xiàn)“駐車制動解除-起步”的無縫銜接。

2.2“駐車氣路”可變氣壓控制

圖1中，雙通單向閥最重要特征：取兩路氣信號的較大值作為輸出送至下一級。此特征對進一步提高該系統(tǒng)的安全性和節(jié)能性具有很強的意義。

在章節(jié)2.1的基礎(chǔ)上，當車輛停穩(wěn)時，整車控制器首先檢測腳剎制動氣路的氣壓值，若腳剎制動氣路氣壓小于1個大氣壓（與大氣的壓差，下同）時，通過比例電磁閥控制駐車制動氣路的氣壓值為1個大氣壓。若腳剎制動氣路氣壓大于1個大氣壓，則控制駐車制動氣路的氣壓值和腳剎制動氣路氣壓值相等（考慮到雙通單向閥工作原理，“相等”的定義為前者比后者大0.2 bar，下同）。

整車控制器控制駐車制動氣路氣壓之后，持續(xù)監(jiān)測腳剎制動氣路氣壓值，若其有高于駐車制動氣路的氣壓出現(xiàn)，則立刻增大駐車制動氣路氣壓至該氣壓值。

駐車制動“解除”的條件保持不變，由電機控制器發(fā)送命令請求。

2.3實際應用的缺陷

理論上講，章節(jié)2.1和2.2所介紹的制動系統(tǒng)方案，自動化程度很高，無需持續(xù)踩腳剎且無需頻繁操作手剎，能保障基本制動力、避免不必要的排氣，且能自動刷新增大制動氣壓［4］。但是在實際應用中，氣動元件及氣動系統(tǒng)本身固有的特征也導致其有先天性的不足，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）氣信號的傳遞較慢，導致系統(tǒng)實時性降低。

2）氣動系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，誤差容易累積，不利于做精密控制。

3）氣動元件參數(shù)精度低，時間一致性較差，老化速度快。

以上缺陷會直接導致實際效果的偏差，致使本方案無法充分發(fā)揮其節(jié)能性。國內(nèi)亦有個別整車廠嘗試過類似的方案，但都停留在了此階段之前，并停止相關(guān)的開發(fā)研究。下面詳細介紹該偏差產(chǎn)生的根源和“反饋”校正方法在該系統(tǒng)的應用，以實現(xiàn)對該比例電磁閥的精準控制。

3　反饋自校正雙回路制動系統(tǒng)

3.1“反饋”基本原理

“反饋”又稱回饋［5］，是控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進而影響系統(tǒng)功能的進程。

本系統(tǒng)方法使用的為“負反饋”，反饋原理如圖3所示。其中輸入為目標氣壓值，輸出為實際氣壓值。系統(tǒng)實時檢測實際氣壓值，并根據(jù)矯正因子確定矯正量，直至實際氣壓和目標氣壓相等。

應用實例中，當車停穩(wěn)時，整車控制器須控制駐車制動氣路氣壓值與腳剎制動氣路氣壓值相等。若車停穩(wěn)后兩者偏差較大，系統(tǒng)即可進入自矯正流程，自動調(diào)整比例電磁閥的輸入電壓并記錄該電壓值，確保目標氣壓值準確。

3.2方案詳解

3.2.1產(chǎn)品參數(shù)介紹

WABCO某款氣壓傳感器函數(shù)關(guān)系為

WABCO某款比例電磁閥函數(shù)關(guān)系為

（x單位：mA；f（x）單位：bar）。

由參數(shù)手冊可知，整車控制器的D/A轉(zhuǎn)換模塊的等效輸出電阻為1Ω，比例電磁閥的輸入電阻為10 Ω。D/A轉(zhuǎn)換模塊參考電壓為8 V；八位控制寄存器，即最大輸出為Vcc，最小為Vss，精度為Vcc/（28-1）［6］。

所謂“相等”，即通過氣壓傳感器采集“腳剎制動氣路”的氣壓值。通過理論計算，輸出一電壓至比例電磁閥，從而實現(xiàn)對“駐車制動氣路”氣壓值的控制，并使兩者相等。

圖1中，氣壓傳感器1和氣壓傳感器2均為WABCO同款氣壓傳感器，可認為參數(shù)完全一樣（本文以下論述均建立在此假設之上），其輸出至整車控制器的模擬電壓分別為U（i）和U（i2）。D/A模塊輸出電壓（輸出至比例電磁閥）為U（o），整車控制器填充到D/A轉(zhuǎn)換模塊控制寄存器的值為C（o）。

由理論計算可知［7］，若要控制“駐車制動氣路”氣壓值和“腳剎制動氣壓值”相等，需有：

U（i）單位：V；C（o）單位：“1”。C（o）的計算結(jié)果向下取整。

由以上計算公式可知，理論上講，監(jiān)測到氣壓傳感器的輸出電壓，填充相應的C（o）值至D/A轉(zhuǎn)換模塊控制寄存器，即可控制“駐車制動氣路”氣壓值和“腳剎制動氣壓值”相等（即為無反饋）。但由于其為開環(huán)控制，無法對各個環(huán)節(jié)的誤差做有效處理，故控制精度并不理想。

3.2.2“映射數(shù)組”初始化

為支持反饋校正方案的目標實現(xiàn)［8］，整車控制器需在自身存儲區(qū)初始化一數(shù)組，用于存儲U（i）和C（o）的對應關(guān)系，如表1所示。

表1　U（i）-C（o）映射數(shù)組

該表格均勻地體現(xiàn)了U（i）和C（o）的對應關(guān)系，整車控制器根據(jù)檢測到的U（i），快速索引并填充對應的C （o），其中C（o）的實際有效范圍為51-210（該表格初始數(shù)據(jù)來源于理論計算）。

3.2.3矯正算法

系統(tǒng)以整車控制器為控制核心，構(gòu)建負反饋型線性離散控制系統(tǒng)。本方案運用迭代算法，可充分發(fā)揮MCU的運算功能。

t=0 s（互鎖生效的時刻）時，整車控制器采集到U（i）=2.694 V，索引數(shù)組獲得C（o）=160，將此C（o）值填充至D/A模塊控制寄存器。t=0.5 s時，整車控制器采集U（i2）的值，發(fā)現(xiàn)U（i2）和2.694 V偏差較大，兩個回路氣壓不相等，理論計算和實際不一致。進一步推測，比例電磁閥的特征參數(shù)發(fā)生了漂變，需要校正。

該“負反饋”校正系統(tǒng)的流程如圖4所示［9］。當U （i2）相比U（i）偏大時，即氣壓傳感器2監(jiān)測到的氣壓高于目標值，此反饋因子可使C（o）減少，從而減少U（i2），反之，則增大C（o）及U（i2），最終使U（i2）等于U（i）。

該“負反饋”校正流程進入的時刻為互鎖生效之后，假設比例電磁閥輸入電阻漂變?yōu)?2.2 Ω，代入初始值U （i）=2.694及C（o）=160。經(jīng)過11次運算后，便得到了C （o）更新之后的值應為193?？梢姡嚳刂破鹘?jīng)過自校正之后發(fā)現(xiàn)，當輸入電壓U（i）=2.694時，原有C（o）=160已不能滿足要求，需將該輸入電壓重新對應至C（o）=193，直接修改映射數(shù)組即可（把本行第二列160修改成193，把第三列0修改為1）。

本例中假設比例電磁閥的輸入電阻發(fā)生了漂變，U （i）=2.694對應的C（o）值即從160調(diào)整至193。實際上電阻漂移后的值是未知的，且系統(tǒng)會有多個誤差來源。但其仍必有一單調(diào)遞增的函數(shù)關(guān)系U（i2）=f（C（o））。整車控制器可以且只能通過迭代算法，找出其對應的最佳C（o）值，從而使氣壓控制在最適宜狀態(tài)。

車輛下次停穩(wěn)時，整車控制器立即從該數(shù)組中索引對應關(guān)系，從而以最快速度驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓，控制氣壓輸出。制動動作完成后，若有必要，再進行自校正和更新數(shù)組。

3.3總結(jié)討論

本文所述校正方案，把整個系統(tǒng)所有誤差因子均包含在內(nèi)，實現(xiàn)了“從源頭到源頭”的迭代及數(shù)組映射，對比例電磁閥的技術(shù)要求大幅降低，只需保證氣壓相對于電壓的單調(diào)性以及D/A模塊電壓波動幅度不引起其充/放氣即可，簡單可靠。

本方案中所提到的零件特性及數(shù)組映射方法，若理論計算較難將其完全覆蓋，應適當采用數(shù)學插值［10］的方法，以簡化系統(tǒng)，增強可靠性。方案中所設定的定時及延時，應根據(jù)零部件的實際性能盡可能縮短，以優(yōu)化系統(tǒng)的實時性。

若比例電磁閥精度較差，可適當增大映射數(shù)組第二列的步進值，減少氣壓梯度。

氣動元件［11］的參數(shù)漂移程度一般較小，校正所需次數(shù)一般也較少。實際校正過程中，迭代次數(shù)一般在5以內(nèi)。氣動元件的參數(shù)漂移一般也需要經(jīng)歷較長的使用時間后才會出現(xiàn)。因此，頻繁的自校正并不必要。設計者可在實際應用中對“自校正”的頻率進行調(diào)整，比如整車控制器采集系統(tǒng)日歷時間信息，在每月的某幾天啟動自校正，或者由售后人員對整車控制器發(fā)送特定報文，整車控制器收到有效報文命令后再啟動自檢校正。

4　結(jié)束語

本文以客車制動系統(tǒng)為著眼點，詳細介紹了一種低成本高性能的交互型雙回路制動系統(tǒng)方案，且針對氣動元件的特點，引入了一種“反饋自校正”的參數(shù)自檢方法。通過末端反饋，該方案很好地消除了“多環(huán)節(jié)串聯(lián)”控制系統(tǒng)的累計誤差，且克服了不同原理、不同型號的氣動元件之間參數(shù)不一致所帶來的系統(tǒng)風險，確保了系統(tǒng)的實際輸出與最初設計目標一致。

［1］于俊峰，郝新平.國產(chǎn)商用車制動系統(tǒng)的發(fā)展［J］.重型汽車，2008，（5）：12-14.

［2］General Specification，JED-334.Product Identification NO.472 2500000.WABCO Data Chart&Instruction of Proportional Valve［Z］.ProportionalValve，1988.12.

［3］胡家富.液壓、氣動系統(tǒng)應用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.8.

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修改稿日期：2015-04-07

Design of Alternative Double-pipe Park Braking System

Si Wenkui1，Li Xiaoju2，ZhangKaixuan3
（1.BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China；2.State Grid ChongqingElectric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；3.College ofElectrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Taking a BYD electric bus for example，the authors aim at the common phenomena of starting slip slope，park brake automation lower，and energysaving-effect worse，and introduce the concepts oftorque park and variable air pressure control，and detailedly present the message alternative design of double-pipe park braking system.As a result，theyachieve the great degree ofsafetyand energysavingeffects.

electric bus；torque unlock；double-pipe；park braking；variable air pressure

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2015）06-0024-04

司文奎（1988-），男，研究方向：制動系統(tǒng)、仿真分析、測試工具開發(fā)、系統(tǒng)方案規(guī)劃。